[논문 리뷰] Multi-User MIMO Receivers With Partial State Information

Ahmad Gomaa, Louay M. A. Jalloul외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 01.

Advanced Wireless Communication Techniques참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 부분적인 채널 상태 정보를 가진 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO) 시스템에서 공 scheduling된 사용자의 constellations이 알려져 있지 않은 상황에서, 공동 최대우도(ML) 변조 분류 및 데이터 검출 수신기를 제안한다. max-log-MAP 근사법을 활용하여 변조 분류와 소프트 결정 생성 간의 유클리드 거리 계산을 공유함으로써 효율적인 하드웨어 아키텍처를 가능하게 한다. 64-QAM에 터보 코딩을 적용한 경우, 저상관도 조건에서 1% BLER일 때 선형 수신기 대비 최대 1.5 dB의 SNR 향상을 달성하며, 고안테나 상관도 조건에서도 선형 방법에 비해 뚜렷이 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

We consider a multi-user multiple-input multiple-output (MU-MIMO) system that uses orthogonal frequency division multiplexing (OFDM). Several receivers are developed for data detection of MU-MIMO transmissions where two users share the same OFDM time and frequency resources. The receivers have partial state information about the MU-MIMO transmission with each receiver having knowledge of the MU-MIMO channel, however the modulation constellation of the co-scheduled user is unknown. We propose a joint maximum likelihood (ML) modulation classification of the co-scheduled user and data detection receiver using the max-log-MAP approximation. It is shown that the decision metric for the modulation classification is an accumulation over a set of tones of Euclidean distance computations that are also used by the max-log-MAP detector for bit log-likelihood ratio (LLR) soft decision generation. An efficient hardware implementation emerges that exploits this commonality between the classification and detection steps and results in sharing of the hardware resources. Comparisons of the link performance of the proposed receiver to several linear receivers is demonstrated through computer simulations. It is shown that the proposed receiver offers \unit[1.5]{dB} improvement in signal-to-noise ratio (SNR) over the nulling projection receiver at $1\%$ block error rate (BLER) for $64$-QAM with turbo code rate of $1/2$ in the case of zero transmit and receiver antenna correlations. However, in the case of high antenna correlation, the linear receiver approaches suffer significant loss relative to the optimal receiver.

연구 동기 및 목표

• 공 scheduling된 사용자의 변조 constellations이 알려져 있지 않은 상황에서, 전체 채널 상태 정보가 존재함에도 불구하고 MU-MIMO 검출 성능을 향상시키는 것.
• 기존 선형 수신기에서 공 scheduling된 사용자 신호를 간섭으로 간주함으로써 발생하는 성능의 최적화 부족 문제를 해결하는 것.
• 알 수 없는 constellations을 제약 조건이 있는 추정 문제로 간주하여, 공동 검출 및 변조 분류 기법을 개발함으로써 검출 정확도를 향상시키는 것.
• 변조 분류와 소프트 검출 간의 공통 계산 요소를 활용하여 효율적인 하드웨어 구현을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 제안된 수신기는 공 scheduling된 사용자의 변조 constellations을 동시에 분류하고 목적 사용자의 데이터를 검출하기 위해 공동 최대우도(ML) 방법을 사용한다.
• max-log-MAP 근사법을 적용하여, OFDM 톤 전반에 걸친 유클리드 거리의 누적을 기반으로 한 변조 분류를 위한 결정 지표를 유도한다.
• 비트 로그우도비(LLR) 계산에 사용되는 max-log-MAP 검출기에서 사용된 동일한 유클리드 거리 지표를 변조 분류에 재사용함으로써 하드웨어 자원 공유를 가능하게 한다.
• 수신기는 OFDM 서브차선을 기반으로 구현되며, 다양한 수의 자원 요소(N)와 SNR 수준에서 성능을 평가한다.
• 시스템 모델은 동일한 시간-주파수 자원을 공유하는 두 사용자를 가정하며, 수신기에서는 채널 추정치는 제공되지만 간섭 사용자의 변조 형식에 대한 정보는 없음을 전제로 한다.
• 성능 평가는 i.i.d. fading 및 고안테나 상관도(0.9) 조건에서 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수행되며, nulling, MMSE, IRC 수신기와의 비교가 이루어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공 scheduling된 사용자의 constellations이 알려져 있지 않은 상황에서, 공동 최대우도(ML) 변조 분류 및 데이터 검출이 MU-MIMO 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 저상관도 및 고상관도 조건에서 제안된 방법의 성능이 선형 수신기(예: nulling, MMSE)와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 OFDM 톤 수(N)가 변조 constellations 분류 정확도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 변조 분류와 소프트 검출 간의 공통 계산을 활용하여 하드웨어 복잡도를 감소시킬 수 있는가?
• RQ5 자원 요소 수가 증가함에 따라 노이즈가 누적되는 상황에서, 저SNR 영역에서도 제안된 방법이 높은 성능 유지를 할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 공동 ML 분류 및 검출 수신기는 i.i.d. fading 조건 및 안테나 상관도가 없는 조건에서 64-QAM에 1/2 레이트 터보 코딩을 적용한 경우, 1% 블록 오류율(BLER)에서 nulling 투영 수신기 대비 약 1.5 dB의 SNR 향상을 달성한다.
• 간섭 사용자 채널 추정치만 사용하는 MMSE 수신기는 동일 조건에서 공동 ML 방법 대비 약 1 dB의 성능 저하를 보인다.
• 고안테나 상관도(0.9) 조건에서 선형 수신기는 심각한 성능 저하를 겪지만, 공동 ML 방법은 근사 최적 성능을 유지한다.
• 목적 신호 전력이 간섭 신호 전력과 동일한 경우(SIR = 0 dB) 4-QAM에 대해 nulling 방법 대비 ML 변조 분류 방법이 약 5 dB의 향상을 보이며, 64-QAM에 대해서는 2 dB의 향상을 보인다.
• N = 12 자원 요소는 강건한 상수절 크기 분류 성능을 제공하지만, 매우 낮은 SNR 조건에서는 N = 1이 N = 12 및 24보다 더 우수한 성능를 보이며, 노이즈 누적이 영향을 미친다.
• 변조 분류와 LLR 계산 간의 유클리드 거리 지표 공유를 통해 면적과 전력 소비가 감소한 효율적인 하드웨어 아키텍처를 구현할 수 있다.